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《光谱学与光谱分析》2018年, 第38卷，第12期
发布时间:2018-12-10]
阅读次数：10085次
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| 3653 | 基于光谱分析的大气混合层高度测量研究 |
|  | 项雅静1，王珊珊1,2，周 斌1,2,3* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3653-06 |
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| 基于地基主动和被动差分光学吸收光谱(DOAS)分析方法，在2015年5月至2016年5月期间对上海近地面NO2浓度(cNO2)及对流层NO2的垂直柱浓度(NO2 VCDtrop)进行了观测。主动长光程差分光学吸收光谱系统(long-path DOAS, LP-DOAS)观测得的cNO2小时均值与上海市全市空气质量cNO2小时均值呈正相关，相关系数为0.81。被动多轴差分光学吸收光谱系统(multi-axis DOAS, MAX-DOAS)观测得的NO2 VCDtrop与GOME-2和OMI卫星传感器测得的NO2 VCDtrop也均呈正相关，相关系数分别为0.89和0.88。大气污染物的输送、扩散、稀释和沉降等过程主要发生在边界层中，白天混合层占到边界层的大部分，混合层高度(MLH)以上的自由对流层中污染物浓度较小，混合层内NO2接近均匀混合时，利用地基主、被动DOAS观测得到的NO2数据可以快速计算大气混合层高度。计算得的MLH与GDAS气象数据库中的边界层高度(PBLH)明显相关，相关系数达0.93，二者结果大小均在0.1～2 km之间。实验观测期间，MLH与PBLH日变化趋势均呈单峰形，MLH高值出现在12:00—15:00，由于PBLH时间分辨率低，最高值出现在14:00，同时二者月均变化趋势一致，2015年9月和2016年2月数值较高，2015年7月和2016年3月数值较低，另外求得MLH约为PBLH的0.98±0.59倍，符合狭义MLH与PBLH的关系。计算得的MLH与同点位激光雷达测得的PBLHLidar也具有较高的相关性，相关系数达0.75，PBLHLidar略大于MLH，但是二者在早晨5和6时和下午5和6时大小趋于相同，符合大气发展规律。说明该算法具有较高的可行性。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3653-3658 [摘要] ( 20 ) PDF (3373 KB) ( 37 ) |
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| 3659 | Para-Xylene分子结构和光谱的外场效应研究 |
| | 杜建宾1, 2*，张 倩1，李奇峰2，唐延林3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3659-04 |
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| 对二甲苯(PX)是一种重要的化工原料，广泛地用于合成聚脂纤维树脂，是医药和农药用聚合单体，因此了解对二甲苯分子结构和光谱的外场效应具有十分重要的意义。为研究外电场对PX分子结构和红外(IR)光谱产生的影响，本文采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法在6-311++G(d, p)基组水平上优化了不同外电场(0～0.030 a.u.，0～1.542×1010 V·m-1)作用下PX分子的基态几何结构，在此基础上利用同样的方法计算了PX分子在不同电场下的振动频率，得到了分子的IR光谱，最后对PX的分子结构和IR光谱受外电场作用的的影响规律进行了研究。结果表明：频率497 cm-1的吸收峰为苯环上的C1-H7和C2-H8的面外摇摆振动，812 cm-1的吸收峰是苯环上的C4-H9和C5-H10的面外摇摆振动，1 547 cm-1为苯环上的C1-H7和C2-H8的面内弯曲振动，3 017 cm-1为甲基上的C11-H14和C15-H17的伸缩振动所产生，3 164 cm-1为苯环上的C4-H9和C5-H10的伸缩振动所产生；外电场与分子内电场的叠加效应使得R(4, 9)，R(5, 10)，R(11, 14)和R(15, 17)等的键长随着外电场的增强急剧增长，而R(1, 7)，R(2, 8)，R(11, 12) 和R(15, 16)等随着外电场的增强变化不明显；随着R(4, 9)和R(5, 10)的增加，吸收峰Ⅱ和Ⅴ出现了明显的红移，它们的频率分别减少了133和140 cm-1，峰Ⅳ在外电场较弱时频率增加，而当外电场较强时频率又开始减小，峰Ⅰ和Ⅲ的频率变化不明显。总之，在外电场的作用下，分子结构变化剧烈，红外光谱吸收峰出现了红移或蓝移，伴随着吸收峰的移动，分子的摩尔收系数ε也进行了重新分配，分子的振动斯塔克效应(VSE)明显。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3659-3662 [摘要] ( 5 ) PDF (1544 KB) ( 11 ) |
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| 3663 | 基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测 |
| | 刘丽莹1，郑 峰2*，张国玉1，徐毅刚2，杨礼艳2，吕文华3，边泽强3，崇 伟3，李 野1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3663-10 |
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| 目前，气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈，已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求，具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下，为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题，开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法，首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构，具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点，尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适，在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小，不同波长通道的带宽基本一致，使用25 μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm，像素采样间隔小于0.5 nm。对于太阳辐射观测来讲，这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次，在观测数据的基础上，阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集，将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI)，法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量，阐述了基于GHI，DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中，GHI是地表实际辐照度水平，适用于太阳能资源评估；DHI反映大气和云态；DNI作为直接透射形式，可用于计算日照时数和分析大气参量。并且，进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比，太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出，不同波长之间的辐射能量变化显著，而这些变化与大气变化密切相关。因此，太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息，更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道，利用特征波长维度的辐射信息，可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计，可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据，提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究；同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3663-3672 [摘要] ( 7 ) PDF (8317 KB) ( 14 ) |
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| 3673 | 一次空中触发闪电通道光谱分析 |
| | 张华明1，2，张义军1，3，吕伟涛1，张 阳1，齐 奇1，钱 勇1，4，樊艳峰1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3673-05 |
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| 利用无狭缝光谱仪获得了一次空中触发闪电过程中400～660 nm的发射光谱，对空中触发闪电小回击和上行正先导通道的发射光谱进行了分析，讨论了人工触发闪电导线通道与空气通道光谱的差异，发现导线段通道光谱持续了约140 ms，而空气段通道仅持续了0.167 ms；结合Fe，N，O等元素的电离能、激发能，给出了导线通道亮度强、持续时间长的原因。在电流强度相同的情况下，人工触发闪电通道的导线段有更多的粒子被激发，能产生更多的光谱辐射，导线段通道的亮度远强于空气段，导线段通道的光谱强度也远强于空气段；在随后的等离子体通道消散阶段导线段闪电通道的复合反应持续时间也更长。通过对小回击以及上行正先导导线通道上部、下部空气段光谱结构以及通道温度等参数与广东地区自然闪电特征谱线及温度等参数的比较，发现小回击通道光谱主要由NⅡ离子低激发态之间的跃迁组成，具有NⅡ 444.7 nm，NⅡ 517.9 nm，NⅡ 616.8 nm等广东地区一般强度自然闪电的特征谱线。上行正先导下部空气段通道具有高激发能的谱线开始消失，出现了Hα，Hβ，OⅠ 615.8 nm等激发能较低的谱线，具有闪电回击后期的光谱结构。小回击通道以及上行正先导通道下部空气段温度分别为21 000和20 000 K，通道温度低于自然闪电温度。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3673-3677 [摘要] ( 5 ) PDF (2039 KB) ( 4 ) |
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| 3678 | 大气压下氩原子谱线辐射诊断试验研究 |
| | 张 维，陈 雷*，宋 鹏，曾 文，刘 宇，封 超，杨 聪 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3678-05 |
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| 大气压下介质阻挡放电应用领域具有多范畴、深广度、常态化等优势，针对同轴电极放电试验进行了系列参数诊断。采用自主研发的介质阻挡放电助燃激励器，在一个标准大气压、放电频率11.4 kHz、放电峰值电压5.4～13.4 kV(间隔1.0 kV)条件下进行了氩气电离试验。采用原子发射光谱法(AES)对氩等离子体谱线的激发、分光进行了检测分析；选用二谱线法及Boltzmann法测试了电子激励温度；根据Stark展宽效应计算了电子密度；获得了电子激励温度及电子密度随放电峰值电压增长的变化规律。结果表明，在试验电压条件下电子激励温度并不随外加电压的升高而递增，这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外部电压的供给，而是取决于气体组份、气体压强和放电模型，增大外加放电电压仅增加单位时间内微放电的数量，经整合电子激励温度可达3 500 K符合典型的低温等离子体特征；电子密度随外加电压的增长而趋于准线性趋势，电子密度数量级可达到108～109 cm-3，电离度偏弱。这些参数的探索对等离子体研讨有重大意义。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3678-3682 [摘要] ( 5 ) PDF (2309 KB) ( 9 ) |
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| 3683 | 基于p53DNA的泽泻醇抗肿瘤分子机制研究 |
| | 陆 彩1，于 慧2，徐 飞1*，谷 巍1，3，吴启南1,3,4，陈 军1,3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3683-09 |
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| 研究泽泻醇类化合物23-乙酰泽泻醇B(alisol B 23-acetate, 23B)、24-乙酰泽泻醇A(alisol A 24-acetate, 24A)混合物(24A∶23B含量比=1∶1)与抑癌基因p53DNA的作用机理，探讨泽泻醇类化合物抗肿瘤作用的分子机制。紫外-可见吸收光谱法、荧光光谱法与分子模拟联用探讨23B，24A及24A-23B混合物与p53DNA的作用方式。紫外光谱显示泽泻醇单体与其混合物部分嵌插入p53DNA，他们使p53DNA紫外吸收降低的程度为：24A∶23B(1∶1)>23B>24A。荧光光谱显示泽泻醇单体及其混合物与p53DNA的相互作用模式均为嵌插结合，结合强度为：24A∶23B(1∶1)>23B>24A。分子模拟显示，泽泻醇单体及其混合物与p53DNA结合能的大小顺序为：24A∶23B (1∶1)>23B>24A，23B与p53DNA f 链的腺嘌呤脱氧核苷酸(DA4)形成1个氢键，24A-23B复合物与p53DNA的DA4、胸腺嘧啶脱氧核苷酸(DT19)形成4个氢键。24A，23B及其混合物与p53DNA结合的强度顺序：24A∶23B (1∶1)>23B>24A，表明24A和23B对抗癌靶点p53DNA具有协同作用，三者与p53DNA的作用方式均为部分嵌插结合。同时，泽泻醇化合物母环C14-和结构中的空间位阻，p53DNA f 链的DA4中磷酸上的氧原子为泽泻醇类化合物与p53DNA相互作用的关键结合位点，是该类泽泻醇发挥抗肿瘤作用的活性中心。24A侧链C19-上的羟基，p53DNA f 链的DA4中腺嘌呤上的氮原子和氧原子，e链的DT19中胸腺嘧啶上的氧原子为泽泻醇类化合物协同增效作用的关键。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3683-3691 [摘要] ( 8 ) PDF (5460 KB) ( 11 ) |
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| 3692 | 光诱导辣根过氧化物酶催化活性变化及机理研究 |
| | 唐 乾1, 3*，宫婷婷1, 3，曹洪玉1, 3，王立皓2, 3，李如玉2，郑学仿1, 2, 3* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3692-07 |
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| 辣根过氧化物酶(HRP)是广泛应用的一种生物催化剂，其光照后HRP酶活性变化的机理还未见报道。利用紫外-可见(UV-Vis)、同步荧光、圆二色(CD)光谱研究了光对HRP催化活性及酶活变化机制。实验结果表明：光照射HRP可促使其发生还原反应，同时其催化活性会发生变化。UV-Vis吸收光谱数据显示，光照射后HRP的Soret带403 nm最大吸收峰红移、Q带498 nm处氧化峰强度下降，说明经光照射HRPFe(Ⅲ)被还原为HRPFe(Ⅱ)。不同波长对光照还原影响程度为280 nm>254 nm>498 nm>403 nm；酶活为403 nm>498 nm>254 nm>280 nm；280 nm波长光照射下，Phe，Trp，Tyr和Cys四种游离氨基酸以及谷胱甘肽的加入均对光照还原有促进作用。酶活性与光照还原程度紧密相关，因Fe(Ⅱ)无法提供空轨道与H2O2配位，所以光诱导Fe(Ⅲ)还原导致酶活下降。同步荧光和圆二色光谱揭示了光照还原后HRP血红素的构象发生了变化，构象的变化也是光诱导酶活变化的原因之一。紫外光影响酶活性下降的因素为光照引发活性中心Fe(III)还原，蛋白质构象变化的贡献。研究结果对进一步了解光对含血红素蛋白(酶)结构和功能的影响有重要的理论和实际意义。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3692-3698 [摘要] ( 3 ) PDF (3890 KB) ( 10 ) |
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| 3699 | 基于多角度多光谱Stokes参数Q和U测量反演气溶胶偏振相函数 |
| | 李 莉1，李正强1*，伽丽丽1，许 华1，Manfred Wendisch2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3699-09 |
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| 偏振相函数是气溶胶重要的光学参数之一，它对气溶胶复折射指数、粒子尺度和形状都十分敏感。多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息。新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基气溶胶偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET(AErosol RObotic NETwork)，并作为扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器，已在不同类型气溶胶观测站点积累了多年的偏振数据。但目前偏振反演仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。与线偏振度和偏振辐亮度相比，Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息。利用CE318-DP多光谱多角度测量的天空光Stokes参数Q和U反演气溶胶偏振相函数的方法。针对CE318-DP标准主平面偏振观测模式PPP(Polarized Principal Plane)下Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感、信息难以利用的不足，测试了新的平纬圈偏振扫描模式ALMP(ALMucantar Polarization)获取Stokes参数Q和U，并成功应用于偏振相函数的反演。系统分析了340～1 640 nm多光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的-P12/P11反演结果并测试了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。无论在主平面还是平纬圈观测几何下，反演结果在可见光和近红外通道上均与真实值具有较好的一致性。进一步讨论了模型中基于气溶胶参数初始值和大气气溶胶参数真实值计算的“大气单次散射/大气散射”的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足是造成紫外波段反演结果偏差较大的原因之一。后续有待进一步提高反演模型在短波通道的适用性，为利用不同光谱通道上-P12/P11的变化特征改进气溶胶微物理参数反演奠定了基础。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3699-3707 [摘要] ( 6 ) PDF (9540 KB) ( 6 ) |
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| 3708 | 局部k最近邻加权线性回归的光谱反射率重建 |
| | 卢德俊，爨凯旋，张伟峰* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3708-05 |
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| 现实中很多场景都需要精确的颜色表示，如纺织、印刷、艺术品扫描存档、在线商品展示等。光谱反射率是决定物体颜色的本质属性，如果知道了光谱反射率，就可以重现物体在任何光照和观测条件下的颜色。采用专业仪器测量光谱反射率有成本高、分辨率低、测量时间慢等问题。随着数码成像设备的普及，基于相机RGB响应值的光谱反射率重建算法具有重要现实意义。光谱反射率重建的目的是建立低维RGB响应值到高维光谱反射率向量的映射关系，回归方法在这一领域已取得广泛应用。由于光谱反射率向量所处的空间是嵌在高维欧氏空间中的一个低维子流形，在训练样本有限的条件下，传统的全局回归方法不能有效地学习该流形结构，往往导致过拟合，使得学习出来的模型泛化能力较差。局部线性回归方法虽然可以改善全局回归过拟合的问题，但是局部学习方法易受例外点的影响，导致拟合不足。针对这一问题，提出一种基于局部加权线性回归的光谱反射率重建方法，这种方法在一个k最近邻范围约束内，给每个局部训练样本赋予不同的权重，从而有所侧重地利用局部训练样本来估计光谱反射率。实验结果表明，基于局部k最近邻加权线性回归的方法能更有效地利用局部信息，缓解过拟合和拟合不足，更准确地重建光谱反射率。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3708-3712 [摘要] ( 3 ) PDF (898 KB) ( 4 ) |
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| 3713 | 准连续调制激光吸收谱测量封闭室内O2浓度的研究 |
| | 邵 欣，汤海梅，王 峰，李云龙，檀盼龙 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3713-05 |
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| 在开采煤矿的生产活动中，遇到煤矿爆炸或地震、地质等自然灾害，会导致坍塌、掩埋、堆积等情形，进而形成复杂的封闭环境。如果发生人员被困等突发情况，破灾救援、挽救生命工作显得至关重要。封闭环境中O2的浓度随时间的变化直接威胁到被困人员的生命安全，及时掌握被困人员所处环境的O2浓度变化对破灾救援机器人作业实施有着非常重要的指导意义。为准确测量O2的浓度，以封闭室内O2为研究对象，综合应用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术，设计了一套准连续调制激光吸收谱实验测量O2浓度系统，对24 h封闭室内O2的浓度随时间变化情况进行测量研究。实验结果表明，封闭室内O2的浓度受到室内人员活动的影响，准连续调制激光吸收谱测量方法可以准确测量封闭室内的氧气变化。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3713-3717 [摘要] ( 4 ) PDF (2330 KB) ( 3 ) |
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| 3718 | 折射率调制矩阵的Bragg光栅光谱分布特性研究 |
| | 刘智超1, 2，张丽娟3，杨进华1，王 高4 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3718-06 |
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| 为了实现对光纤光栅回波光谱分布的控制，利用传输矩阵法构建了分段调制折射率的数学模型。通过在各个分段中以不同形式的折射率调制组合实现对回波光谱分布的控制，研究了基于不同折射率分布条件下的谱形特性，为实现获取任意形态的Bragg光谱分布提供了理论支撑。系统结合耦合模理论与矩阵传输算法，当分段后子光纤光栅尺寸符合边界条件时，即仍可应用耦合模理论计算，同时又可以将多段的耦合方程以正、反向模式的形式通过矩阵函数进行表达。由此可知，虽然任意折射率调制组合构成的整个光纤光栅不具备通解形式，但分段后的子光纤光栅具有可解析的特性，同时再利用矩阵传输算法可以将m段子光纤光栅的正反向模式进行计算，就能将任意形式光纤光栅的折射率调制函数转化为传输矩阵组，再对其反射率分布场进行解析。最终，可以得到整个光纤光栅的等效正、反模式，即实现回波光谱分布的控制。由理论部分可知，回波光谱分布特性主要受正反向导模耦合系数、纤芯位置、分段数决定，可由(z)和k(z)表示。通过MATLAB仿真分析可知，两参数在(0, 1)范围内对反射率函数具有明显的调制作用。随着控制参数阶数的增大，反射率调制斜率也会增大；当k(0.38, 0.48), (0.52, 0.58)时，反射率调制符合单调特性。从而得到了不同控制参数条件下反射率函数的分布变化，讨论了耦合系数对回波谱形控制的量化效果。实验利用AVESTA公司的Ti: Sapphire飞秒激光器完成了四种不同结构光纤光栅的制作，采用了四种折射率分段调制的FBG结构，分别是：①在m段中Λ1和Λ2交替均匀分布；②在m/2段中Λ1和Λ2交替均匀分布，其余段随机分布；③在m/2段中Λ1和Λ2随机分布，其余段也随机分布；④在整个光纤光栅段折射率随机分布。对以上四种FBG的回波光谱分布进行测试与比较，可知采用分段折射率调制对Bragg光谱特性的作用效果。实验结果显示：当以矩阵组形式的FBG若在m段分布时，则与传统串联型均匀FBG测试效果一致，具有两个明显的Bragg特征峰；而矩阵组在m/2段中分布时，测试光谱仍能明显获取折射率调制特征信息，即存在两个Bragg特征峰，但峰峰值减小，噪声谱增大，半宽变窄。同时，相比交替模式而言，随机分布形式此种变化趋势更为明显。由此可见，通过控制矩阵组分布对回波谱形中特征峰值、半宽及功率谱进行调制。该方法在预先设计折射率调制矩阵的条件下，可以对Bragg光谱分布进行精确控制，实现目标回波谱形的获取。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3718-3723 [摘要] ( 3 ) PDF (3123 KB) ( 3 ) |
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| 3724 | 基于卷积神经网络的烟叶近红外光谱分类建模方法研究 |
| | 鲁梦瑶1,4，杨 凯2，宋鹏飞3，束茹欣2，王萝萍3，杨玉清1,4，刘 慧1,4，李军会1,4*，赵龙莲1,4，张晔晖1,4 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3724-05 |
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| 卷积神经网络(CNN)在图像分类识别领域应用广泛，但其在近红外光谱分类中的研究还未见报道，对基于CNN的近红外光谱分类建模方法进行了研究。针对近红外光谱数据的特点，提出了一种改进的卷积神经网络建模方法，对CNN经典模型LeNet-5所做改进：①将方形矩阵卷积核改为适用于一维近红外光谱的向量卷积核；②简化网络结构，将LeNet-5结构中C5，F6及输出层改为单层感知机。同时，采用隔点采样的方法对近红外光谱降维，加快收敛速度；并对卷积核尺寸对建模结果的影响进行了研究。以我国东北、黄淮、西南三大烤烟产区的600个中部烟叶样本的近红外光谱为实验对象，建立烟叶产区分类NIR-CNN模型。该模型对训练集和测试集的判别准确率为98.2%和95%。实验结果表明，应用卷积神经网络可对近红外光谱数据准确、可靠地判别分类；烟叶产区NIR-CNN建模方法可为卷烟企业烟叶原料科学合理利用提供指导，为维护卷烟产品的质量稳定有重要意义；基于卷积神经网络的近红外光谱判别方法也可推广到其他农产品的分类应用中。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3724-3728 [摘要] ( 6 ) PDF (2055 KB) ( 23 ) |
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| 3729 | 阵列式光纤光谱仪的小麦霉变在线检测 |
| | 蒋雪松1，赵天霞2，刘 潇2，周曰春2，沈 飞2*，鞠兴荣2，刘兴泉3，周宏平1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3729-07 |
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| 小麦是我国战略性储藏粮食品种，但小麦易受霉菌感染而发生霉变，影响其食用安全。加强小麦有害霉菌侵染程度的早期检测是控制其危害的需要措施。然而，现有的平板计数和荧光染色等检测方法，普遍存在前处理繁杂、时效性差等不足。故此，拟运用阵列式光纤光谱仪结合化学计量学方法，建立霉变小麦的实时在线检测方法，并为进一步开发粮食品质与安全在线检测装备提供参考。小麦样品经辐照灭菌后分别接种五种谷物中常见有害霉菌：串珠镰刀菌83227、层出镰刀菌195647、雪腐镰刀菌3.503、寄生曲霉3.3950和赭曲霉3.3486，并置于28 ℃和85%相对湿度环境中储藏7 d以加速霉变。在样品储藏的第0，1，3，5和7 d，运用阵列式光纤光谱仪和漫反射探头在线采集样品的漫反射特征光谱，并依据国标平板计数法测定样品菌落总数水平。光谱采集步骤为：在线检测平台上，设置样品运动速度0.15 m·s-1和光谱仪积分时间20 ms，采集波段为600~1 600 nm，重复测量3次。然后，首先对小麦原始光谱进行平滑、多元散射校正和导数变换等预处理以消除光谱噪音；随后，运用主成分分析(PCA)对受不同霉变程度(储藏阶段)的小麦样品进行区分；最后，利用线性判别分析(LDA)和偏最小二乘回归分析(PLSR)建立小麦有害霉菌侵染程度的定性定量分析模型。小麦在储藏期内经历未霉变、开始霉变和严重霉变三个阶段。原始和二阶微分光谱显示霉菌侵染引起小麦光谱特征发生显著改变，PCA结果表明不同储藏阶段(霉变程度)小麦样品存在一定分离趋势。利用前十个主成分得分建立的LDA判别模型，对不同霉变程度小麦样品的识别率达90.0%以上。结果表明：小麦样品菌落总数的PLSR定量预测模型的预测决定系数(R2p)为0.859 2，预测均方根误差(RMSEP)为0.401 Log CFU·g-1，相对分析偏差(RPD)达2.65。应用阵列式光纤光谱仪结合计量学方法在线评估小麦霉变具有一定可行性。下一步研究中，应扩大样品量，补充自然霉变及受更多代表性霉菌侵染的小麦样品，以不断增强模型的鲁棒性和方法的适用性。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3729-3735 [摘要] ( 5 ) PDF (3141 KB) ( 7 ) |
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| 3736 | 马铃薯多品质参数可见/近红外光谱无损快速检测 |
| | 王 凡1，李永玉1*，彭彦昆1，杨炳南2，李 龙1，刘亚超1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3736-07 |
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| 马铃薯是与小麦、稻米、玉米协调发展的第四大主粮作物，现阶段我国正积极推进马铃薯主食开发，但马铃薯品质的参差不齐严重制约了马铃薯产业主食化进程，马铃薯品质快速无损检测对其加工产业化进程有着重要意义。国内外学者基于可见/近红外光谱对马铃薯内部品质检测进行了不少相关研究，但迄今为止大部分研究都基于可见/近红外漫反射原理，马铃薯粗糙的表皮对样品漫反射光谱影响较大。近红外透射光谱能较好的反映样品的品质信息，但马铃薯样品全透射光谱因样品大小不同，导致光谱受光程差异的影响较大。考虑到马铃薯样品整体质地较为均匀，根据马铃薯的形状特性搭建了马铃薯局部透射光谱采集系统，局部透射检测方式既能避免马铃薯表皮的影响，又能在保证光程统一的情况下获得样品内部的信息。该光谱采集系统由光谱采集单元(光谱仪、耦合透镜)与光源单元(卤素灯、灯杯)构成。进行光谱采集时，将二者贴紧马铃薯表面以确保光谱采集单元不会接收到来自马铃薯表面的反射光。用该系统采集了120个马铃薯650~1 100 nm范围的局部透射光谱，分别进行去趋势(detrend)、多元散射校正(muliplication scattering correction, MSC)、标准正态变量变换(standard normal variable transformation, SNV)和一阶导数(first Derivative, FD)预处理，并建立了马铃薯干物质、淀粉、还原糖含量的偏最小二乘预测模型(partial least squares regression，PLSR)。结果显示，采用多元散射校正预处理的干物质和淀粉含量预测模型效果较好，其验证集决定系数分别为0.854 0和0.851 0，验证集均方根误差分别为0.521 9%和0.484 8%；采用一阶导数预处理的还原糖预测模型效果最好，其验证集决定系数为0.768 6，均方根误差为0.025 1%。为进一步优化模型采用竞争性自适应重加权采样(competitive adaptive reweighted sampling, CARS)等三种方法进行特征波长的筛选，并建立了偏最小二乘预测模型。结果显示，马铃薯各品质参数的预测效果均得到了较大提升，CARS筛选波长后的干物质、淀粉、还原糖预测模型的验证集决定系数分别为0.877 6, 0.865 3和0.887 7，验证集均方根误差分别为0.449 2%, 0.930 2%和0.016 7%。采用CARS特征波长提取能够简化模型，去除无关变量和共线性变量，从而提高模型的精度和稳定性，尤其是对低含量组分还原糖的预测模型效果显著。最后，为验证马铃薯各品质参数预测模型的精度及稳定性，选取30个不同批次马铃薯样品对所建预测模型进行了外部验证。马铃薯干物质、淀粉、还原糖含量的模型预测值与标准理化值决定系数分别为0.849 9, 0.867 1, 0.877 6，均方根误差分别为0.660 9, 0.480 9, 0.016 9，平均相对误差分别为2.03%, 1.77%, 7.58%。研究表明，局部透射光谱携带了马铃薯的内部信息，与干物质、淀粉、还原糖含量有显著相关性。该可见/近红外局部透射检测系统可以实现马铃薯多品质参数的快速无损预测，特别是干物质含量及淀粉含量的预测效果较好，但是对个别还原糖含量非常低的样品出现预测相对误差较大现象，下一步研究中需要进一步优化完善。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3736-3742 [摘要] ( 10 ) PDF (3267 KB) ( 14 ) |
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| 3743 | 近红外高光谱的活体玉米叶片水分成像研究 |
| | 杨玉清1,2，张甜甜1,2，李军会1,2*，鲁梦瑶1,2，刘 慧1,2，赵龙莲1,2，张晔晖1,2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3743-05 |
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| 无损检测植物叶片水分对植物生理生化研究及灌溉管理和旱情监测等均具有重要意义。利用Gaia Sorter近红外高光谱仪(900～1 700 nm)，以不同生育期的60个鲜活玉米叶片为试验材料，对叶肉不同区域的平均光谱及烘干称重法得到的水分含量分别用偏最小二乘法(PLS)及逐步多元线性回归(SMLR)进行建模分析。结果表明，验证集决定系数/标准偏差分别为0.975/1.18和0.980/1.02，均取得较好的预测效果，可实现单个玉米叶片平均含水量的测定；SMLR优选的特征波长(1 406和1 692 nm)建模预测结果表明，利用高通量近红外相机结合滤光片方法实现玉米叶片冠层或高空遥感测量的可行性。同时，进行了叶片不同区域水分含量的成像分析，结果表明，验证集中6个叶片的叶肉与主叶脉区域水分含量的参考均值和预测均值的相关系数均达到0.85以上，预测结果与实际情况相符合。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3743-3747 [摘要] ( 4 ) PDF (2300 KB) ( 19 ) |
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| 3748 | 稻谷有害霉菌侵染的近红外光谱快速检测 |
| | 沈 飞，魏颖琪，张 斌，邵小龙，宋 伟，杨慧萍 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3748-05 |
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| 稻谷是我国主要储粮品种。为快速、准确鉴定稻谷霉变状态，建立了一种基于近红外光谱的稻谷霉菌污染定性、定量分析方法。首先，将四种谷物中常见有害霉菌(黄曲霉3.17、黄曲霉3.3950、寄生曲霉3.3950、灰绿曲霉3.0100)分别接种在灭菌稻谷样品上。其次，将接种霉菌样品进行人工模拟储藏(28 ℃、RH 80%)，并采集不同储藏时间(0，2，4，7和10 d)稻谷的近红外漫反射光谱信号。最后，利用主成分分析(PCA)、判别分析(DA)和偏最小二乘回归(PLSR)方法建立稻谷霉菌污染的快速分析模型。结果显示，近红外光谱可有效区分感染不同霉菌的稻谷样品，平均判别正确率达87.5%。稻谷霉变随储藏时间逐渐加深，近红外光谱对感染单一霉菌稻谷样品霉变状态的判别正确率达92.5%，多种霉菌的判别正确率达87.5%。稻谷中的菌落总数的PLSR模型定量结果为：有效决定系数(R2P)为0.882 3、验证均方根误差(RMSEP)为0.339 Lg CFU·g-1，相对标准偏差(RPD)为2.93。结果表明，近红外光谱法可以作为一种快速、无损的分析方法来判定稻谷霉菌侵染状况，确保稻谷储运安全。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3748-3752 [摘要] ( 7 ) PDF (1561 KB) ( 3 ) |
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| 3753 | LIBS-Raman光谱联合水下探测系统及初步试验 |
| | 刘春昊，郭金家*，叶旺全，刘庆省，李 楠，郑荣儿 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3753-05 |
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| 水下激光诱导击穿光谱技术(LIBS)和水下激光拉曼光谱技术(Raman)已在深海成功获得应用，这两种技术探测对象互补、器件类似，两者联合探测可更好的进行深海研究。针对此需求研发了一套LIBS-Raman光谱联合水下原位探测原理样机，整个系统集成于L790 mm×Φ270 mm的舱体内，在舱体前端有光学窗口和水密插头，舱体内部主要包括脉冲激光器、光谱仪、嵌入式计算机和供电转换装置，甲板控制终端通过水密电缆实现对系统的供电、控制和数据采集。该联合系统采用一台双波长脉冲激光器同时作为LIBS和拉曼光谱的激发光源，LIBS采用1 064 nm波长，拉曼光谱采用532 nm波长。双波长激光器发出的光束经分光镜分为两路，经过后向散射光路收集的两路信号分别进入两个小型光纤光谱仪进行分光探测，LIBS采用AvaSpec-ULS2048光谱仪，拉曼光谱采用QE 65000光谱仪。利用搭建的原理样机在青岛近海进行水下原位探测，在实验室开展了水中固体靶的探测，实验结果证明了LIBS-Raman联合光谱探测装置的可行性。下一步将优化系统并开展深海探测应用。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3753-3757 [摘要] ( 7 ) PDF (2054 KB) ( 4 ) |
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| 3758 | 在单细胞水平上基于拉曼光谱和原子力显微镜研究不同地区PM2.5的毒理效应 |
| | 王 岩1，汤明杰2，杨忠波2，陈利刚2，贾炜姣2，孙卫东1，宋正勋1*，王化斌1, 2, 3* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3758-06 |
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| PM2.5作为一种重要的空气污染物，研究不同地区PM2.5对人体细胞的损伤异同具有重要意义。本实验以人肺癌细胞为研究对象，分别经过3个不同地区PM2.5日均量暴露2 h，采用拉曼光谱仪和原子力显微镜对活性单细胞的光谱、形貌和生物力学指标进行检测，通过酶联免疫反应检测细胞产生的发炎因子浓度。统计分析表明：PM2.5暴露后细胞拉曼峰1 002.97，1 127.29，1 172.83和1 338.1 cm-1强度变大；细胞伪足收缩或残缺，细胞核区变高；苏州地区PM2.5暴露后细胞黏滞功变小，弹性能变大；细胞产生发炎响应。发现经不同地区PM2.5暴露后，单细胞光学和力学信息发生了各异的改变，因此单细胞水平上研究不同地区PM2.5的毒理效应，为空气污染治理、肺部疾病防控提供数据支撑。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3758-3763 [摘要] ( 8 ) PDF (5007 KB) ( 5 ) |
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| 3764 | 铼的弹性剪切参数C44对温度与压力响应的原位拉曼光谱研究 |
| | 戚 磊，雷 力*，冯雷豪，蒲梅芳 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3764-05 |
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| 铼具有高体积弹性模量、高熔点、优良的抗蠕变性能，是一种重要科学研究与工程应用材料。铼的弹性剪切系数C44对温度和压力的响应特性对铼及其合金材料的设计与工程应用具有重要意义。激光拉曼散射技术在研究不同温度和压力条件下六方密堆积结构(hcp)金属的弹性剪切系数C44上具有独特的优势。但由于金属的强反射作用和浅的穿透深度，hcp金属的低波数拉曼散射信号往往很难获取，在一定的温度和压力加载下拉曼信号的获取尤为困难。利用侧向激发拉曼散射技术，有效降低了金属强反射对拉曼光谱采集的影响，成功测量到多晶铼在不同压力与温度条件下的E2g拉曼振动模，获得铼在常温常压条件的弹性剪切系数(C44=133 GPa)以及其弹性剪切系数C44对温度和压力的响应特性。研究结果表明，多晶铼的弹性剪切系数C44模量随压强的增加而增大，随温度的增加而减小。这也为用光散射方法研究金属材料剪切模量提供了良好研究方法。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3764-3768 [摘要] ( 3 ) PDF (2346 KB) ( 3 ) |
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| 3769 | 便携式拉曼光谱仪快速检测唾液中盐酸吡格列酮的含量 |
| | 赵 宇1，温宝英1，黄艺伟1，张 华1，吕佳妮2*，李剑锋1，3* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3769-04 |
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| 人体唾液与血液中的相应成分有着密切关系。利用唾液代替血液进行检测，可极大地缩短分析时间、减少检测限制、降低安全隐患等，因此在临床医学、毒品管控等方面均有重要意义。发展了便携式拉曼光谱仪利用表面增强拉曼光谱技术快速定量检测唾液中盐酸吡格列酮(口服降血糖药物)含量的方法。借助纳米金溶胶的表面增强拉曼散射效应，在激发光源波长为785 nm时，可以得到低浓度盐酸吡格列酮的高质量拉曼光谱图。同时，不同浓度盐酸吡格列酮表面增强拉曼光谱分析结果表明，该方法还可直接用于唾液中盐酸吡格列酮的定量检测。盐酸吡格列酮含量与其特征峰强度线性相关，相关系数为0.992 3，且最低检测浓度达10 μg·L-1。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3769-3772 [摘要] ( 11 ) PDF (2002 KB) ( 10 ) |
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| 3773 | 叶绿素荧光技术在植物表型分析的研究进展 |
| | 岑海燕1，2, 姚洁妮1，2，翁海勇1，2，徐海霞1，2，朱月明1，2，何 勇1，2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3773-07 |
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| 作物优良品种选育是实现作物优质高产的关键。现代育种方法需要获取植株的大量表型信息，最终选育出性状稳定的优良品种。近年来，高通量植物表型分析技术因其快速、无损、高效等优势，为筛选优良作物品种提供了技术保障，已成为农学、工程、计算机科学等多学科交叉研究的热点。其中，叶绿素荧光技术作为植物光合作用的探针，是研究植物逆境胁迫表型的有力工具之一，能够实现植物生物与非生物胁迫的高效分析，加快作物优良性状的筛选。该文旨在阐述叶绿素荧光技术的研究进展和发展趋势，主要介绍了叶绿素荧光技术的基本原理和成像系统、叶绿素荧光参数的分析和处理方法，总结了在植物表型分析研究中的应用情况，探讨了该技术目前存在的问题和改进的方法，进一步展望了叶绿素荧光技术在植物表型分析中的应用前景。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3773-3779 [摘要] ( 4 ) PDF (1503 KB) ( 8 ) |
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| 3780 | 三维荧光光谱结合自加权交替三线性分解算法检测农药类混合物 |
| | 王玉田1，边 旭1*，商凤凯1，王君竹1，王书涛1，杨 哲1，张立娟1, 2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3780-05 |
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| 三维荧光光谱技术与自加权交替三线性分解(SWATLD)算法相结合，对三类农药混合溶液进行检测。在乙腈溶剂中配制西维因、速灭威和三唑磷不同浓度比的混合溶液为测量样品(西维因、速灭威及三唑磷的最佳激发波长/发射波长分别为285/325，305/345和265/305 nm)，利用荧光光谱仪获取样品的三维荧光光谱，经过空白扣除以及激发与发射校正，有效地去除仪器误差以及散射产生的影响，得到样品的真实光谱。采用基于自加权交替三线性分解算法对测得的光谱数据进行分析，得到的三种农药的平均回收率为96.9%±1.9%，99.8%±1.0%和100.8%±3.2%。根据SWATLD算法预测结果，计算三类农药的预测均方根误差(RMSEP)值为0.616×10-2，0.539×10-2和0.374×10-2 μg·mL-1，低于平行因子(PARAFAC)分析法预测结果的RMSEP值，且最低检测限均在0.005~0.022 μg·mL-1范围内。和PARAFAC算法相比较，突出了SWATLD算法的优势，表明该算法对光谱重叠严重的三类农药混合物有较好的分解能力。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3780-3784 [摘要] ( 4 ) PDF (3332 KB) ( 9 ) |
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| 3785 | 基于三维荧光光谱的Krawtchouk图像矩算法在多环芳烃定量分析中的应用 |
| | 潘 钊1，崔耀耀2，吴希军1*，苑媛媛1，刘婷婷1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3785-05 |
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| 以多环芳烃中的芴和苊为研究对象，提出一种将三维荧光光谱技术与Krawtchouk图像矩、广义回归神经网络相结合的定量分析的方法。利用FS920荧光光谱仪获取样品的三维荧光光谱数据，得到对应的三维光谱灰度图。直接计算三维光谱灰度图的Krawtchouk矩，将得到的Krawtchouk矩经平均影响值筛选后作为广义回归神经网络的输入，建立多环芳烃(PAHs)的定量模型。预测8组混合溶液的测试样本，芴和苊的平均相对误差分别为0.98%和2.15%。研究结果表明，Krawtchouk矩经过筛选后预测结果更为准确，该方法能够有效提取光谱的特征信息，简单、准确的预测PAHs的浓度。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3785-3789 [摘要] ( 1 ) PDF (1533 KB) ( 2 ) |
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| 3790 | 基于主成分分析和多元曲线分辨的蓝细菌流式荧光光谱分析方法 |
| | 范贤光1, 2, 3，方晓玲1，王 昕1, 2, 3*，陈宇欣1，巫梅琴1，胡雪亮1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3790-06 |
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| 利用流式细胞术对细胞进行多色荧光分析时，往往获得的是由多种组分荧光光谱混合的多元荧光光谱。在对蓝细菌进行光谱流式检测时，所测得的荧光光谱同时包含了多种未知荧光光谱，且存在严重的光谱混叠。为了获得蓝细菌中的主要组分光谱及其浓度，提出主成分分析和多元曲线分辨相结合的方法，对蓝细菌的流式荧光光谱进行处理。该方法通过主成分分析获得蓝细菌的主要纯组分数量，然后利用渐进因子分析寻找各组分的起始点和终止点，并估计纯组分的初始光谱，最后利用交替最小二乘结合其纯组分光谱的单峰性和非负性，对初始估计的纯组分光谱进行迭代修正，从而得到纯组分光谱及其组分浓度。仿真和实验结果表明，该方法能够准确地估计混合光谱中纯组分的个数并对其谱峰进行拟合，进而准确地估计各个组分的浓度。该方法不但适用于蓝细菌的光谱分析，还可用于其他多元混合光谱体系的解析。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3790-3795 [摘要] ( 3 ) PDF (4568 KB) ( 2 ) |
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| 3796 | 基于紫外-可见光谱法研究叶黄素聚集体结构及其动力学 |
| | 魏良淑，吴 芳，蒋夕平，刘桂玲，卢礼萍* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3796-05 |
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| 利用紫外-可见分光光度计，检测了乙醇/水溶液中，不同温度下叶黄素吸收谱，并探测了光谱随时间的变化。结果表明，在1∶1乙醇/水溶液中，高浓度和低浓度样品中，叶黄素H-聚集体随温度升高呈线性降低规律。1∶2溶液中，叶黄素聚集结构不随温度变化而变化，结构稳定。对其吸收光谱的动力学检测发现，1∶1溶液中，随着时间的推移，H-聚集体呈指数增加。分析认为，溶液中水分子的氢键是形成叶黄素聚集结构的决定因素，水分子和氢键数目的增加促使叶黄素形成稳定的H-聚集结构。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3796-3800 [摘要] ( 2 ) PDF (2861 KB) ( 3 ) |
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| 3801 | 稀土反射波谱特征及高光谱提取研究进展 |
| | 代晶晶1，吴亚楠2，令天宇2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3801-08 |
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| 稀土是一种重要的战略资源，由于稀土资源的稀缺，近年来对其反射波谱特征与高光谱信息提取的研究较为薄弱。笔者首先从稀土电子层构型和能级跃迁的层面阐述了其光谱机理。稀土由于其特殊的电子构型，它们的4f电子的f-f组态之内容易跃迁，在可见光-近红外有其特有的波谱吸收特征。其次结合自己开展的一些工作，系统总结了15种稀土单元素、稀土矿物(含稀土的氟碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐矿物)、稀土溶液的反射波谱特征，可见15种稀土单元素的反射特征差异较大，稀土矿物及溶液的波谱特征是化学组成中优势稀土元素的体现，吸收强弱随着稀土浓度的降低逐渐减弱甚至消失。由于稀土信息提取对高光谱传感器要求较为苛刻，目前的研究主要集中于近距离高光谱传感器探测，航空及航天高光谱遥感探测存在一定困难，根据单元素的波谱吸收特征，近距离高光谱传感器目前可成功提取Nd，Er，Dy，Ho，Sm和Tm等的分布信息；最后文章展望了稀土反射波谱及高光谱稀土找矿研究的难点和重点，旨在为今后研究提供新的思路。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3801-3808 [摘要] ( 4 ) PDF (6280 KB) ( 3 ) |
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| 3809 | 高光谱遥感识别地下储存天然气微泄漏点 |
| | 李梦梦，蒋金豹*，刘 东 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3809-06 |
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| 如何及时准确探测天然气地下储存库或管道出现的微泄漏点目前尚是一个难题。通过野外可控系统模拟天然气微泄漏实验，研究天然气微泄漏对地表植被的影响及遥感特征变化，从而间接探测天然气微泄漏点。实验以草地与大豆为研究对象，测量了胁迫区与对照区植被的冠层光谱，进行奇异值剔除和平滑处理，对一阶微分处理后的植被冠层光谱再进行连续小波变换分析，发现对照组与胁迫组植被冠层光谱小波能量系数在685和715 nm处差异较大，且规律稳定，用其构建归一化指数(DW685-DW715)/(DW685+DW715)(DW)，并与PRI，NPCI，NDVI，D725/D702指数进行对比分析，经J-M距离检验，结果表明归一化指数DW在识别天然气微泄漏胁迫下的草地和大豆具有较好的识别效果，且比PRI，NPCI，NDVI，D725/D702指数具有更好的普适性与稳健性。该结果表明，通过高光谱技术间接检测天然气微泄漏点具有可行性，为以后的工程应用提供技术支持和理论基础。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3809-3814 [摘要] ( 3 ) PDF (4115 KB) ( 6 ) |
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| 3815 | 基于地面光谱数据的二向性反射模拟与分析 |
| | 陈 磊1,2，钱 达1，张 虎1,2，崔铁军1,2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3815-06 |
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| 为提高地物光谱模拟精度，建立地表混合光谱模型，利用ASD FieldSpec3 Hi-Res便携式地物光谱仪和地物多角度二向性反射平台，设计试验探测不同角度下的不同叶片覆盖面积的混合光谱。以等距离/等面积模型为理论基础，将模型中二维权重系数变化规律扩展到三维空间权重系数变化中，考虑探测方向倾斜时探测区域权重系数的变化，提出新的考虑几何角度的三维权重模型对混合光谱进行模拟，并与实测混合光谱对比分析。分析结果表明，相比于等距离/等面积模型，三维权重模型对探测区域进行了细分，提高了权重系数计算精度，模拟的混合光谱误差更小，特别是在探测角度有倾斜时，模拟的效果更明显，均方根误差平均降低了0.016 1，光谱角误差平均降低了0.07。三维权重模型考虑了探测角度对权重系数的影响，提高了光谱模拟的精度，为地表模型的建立及卫星数据混合光谱分解的应用提供新的理论基础。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3815-3820 [摘要] ( 4 ) PDF (2235 KB) ( 2 ) |
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| 3821 | 基于SM-NCF反射光谱辨识的液体折射率监测方法 |
| | 袁慧影1，曾 捷1*，王 珂2，龚晓静3，李 珏2，马 超1，梁大开1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3821-08 |
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| 针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求，提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型，并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiber-No core fiber, SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤，在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯，外界环境介质当作包层，构成光波导结构。这与普通多模光纤相比，不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀，不会降低光纤的机械性能，也不会破坏芯模传输条件，可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时，其波导结构和包层有效折射率均会发生改变，从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变，最终导致不同波长对应传输光功率的变化。上述效应反映在反射光谱上，即干涉波谷对应的谐振波长、波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化，通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。借助光束传播法(BPM)，数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律，并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头，将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接，采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜，用以提升反射光谱强度。在此基础上，搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统，并开展了相关实验研究。研究结果表明，当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时，随着液体折射率从1.331 5依次增大至1.390 2，SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移，其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197.57 nm·RIU-1，相关系数为0.93；反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势，其折射率灵敏度约为-62.80 dB·RIU-1。当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时，随着液体折射率依次增大，SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象，且均逐渐向长波方向偏移，dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1，相关系数为0.96；反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势，其折射率灵敏度约为-31.66 dB·RIU-1。对比分析可知，不论是从反射峰谐振波长偏移的角度，还是从反射峰值强度的角度，自映像距离长度对应的 SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。对于相同折射率液体环境，非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比，呈现显著变窄趋势。相对于SMS透射型传感结构，当传感区域长度相同时，SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点，具有结构简单、易于制作、抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点，能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3821-3828 [摘要] ( 3 ) PDF (3901 KB) ( 3 ) |
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| 3829 | 刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征波长研究 |
| | 黄旭影1，许章华1, 2, 3, 4*，林 璐1，刘 健3，钟兆全5，周华康6 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3829-10 |
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| 旨在获取刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征波长，以助于该虫害的有效、准确识别。将于福建省顺昌县实测的105条高光谱数据随机划分为实验组(71条)和验证组(34条)。基于实验组数据，利用单因素方差分析获取健康、轻度危害、中度危害、重度危害等虫害等级间具有极显著差异的波长；结合常用遥感卫星的波段设置对上述波长进行筛选，采用欧式距离、相关系数及光谱角匹配等3种方法判定其虫害判别能力，获取特征波长，并引入验证组样本对其予以验证。结果表明：(1)受害叶片的光谱反射率明显低于健康叶片，虫害等级越高，其反射率越低；(2)受害叶片的光谱特征变化较大，随着虫害等级的上升，其光谱曲线中的“绿峰”及“红谷”趋于消失，“红边”斜率逐渐减小；(3)确定原始光谱703.43~898.56 nm及一阶微分光谱497.68~540.72，554.53~585.25和596.24~618.23 nm为刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征波长，其对该虫害具有较强的判别能力。该研究从叶片尺度剖析了寄主对刚竹毒蛾的响应机理，是“地-天”耦合的理论基础，可为虫害遥感监测技术体系的建立提供重要依据。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3829-3838 [摘要] ( 8 ) PDF (4455 KB) ( 5 ) |
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| 3839 | 人参皂苷Rh2与血清白蛋白相互作用立体选择性的光谱及分子对接研究 |
| | 李 红1，许 茜1，郑晓丽1，许 卉1*，陈 庚2，孟庆国1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3839-07 |
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| 立体化学是影响外源性药物与生物功能大分子相互作用的关键结构因素。人参皂苷Rh2具有抗肿瘤等生理活性，已发现其中的C-20立体化学与多种生物学效应有关，但其与体内重要药物载体血清白蛋白(SA)相互作用的立体选择性研究鲜见报道。为此，采用紫外吸收光谱、荧光光谱、同步荧光光谱和分子对接技术，研究人参皂苷Rh2的C-20差向异构体在模拟生理条件下与SA相互作用的立体选择性特点及其机制。20S-和20R-Rh2均能与SA按摩尔比1∶1自发形成稳定的复合物，主要通过氢键和疏水相互作用，使SA的相关发光基团疏水性增强，同时改变Trp，Tyr等氨基酸残基周围微环境，从而影响紫外光谱特征吸收峰的位置和强度，并引起内源荧光的静态猝灭。二者与SA的相互作用特征及结合模式均存在显著差异，突出表现为结合区域以及参与氢键和疏水相互作用的基团和氨基酸残基数目及类别明显不同，20S-Rh2具有相对更高的结合常数和结合自由能。人参皂苷Rh2与血清白蛋白的相互作用具有立体选择性，C-20立体化学差异是其中的重要机制。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3839-3845 [摘要] ( 6 ) PDF (3843 KB) ( 4 ) |
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| 3846 | 基于约束优化的多光谱辐射真温反演算法 |
| | 顾伟宏，梁家锋，尹 馨，邢 键*，宋文龙 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3846-05 |
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| 多光谱辐射测温是通过测量待测物某点的多个光谱辐射强度信息，通过普朗克公式反演获得真实温度。但是，通过普朗克公式获得的多光谱辐射测温方程组，是欠定方程组，即N个方程，N+1个未知数(N个未知的光谱发射率ελi和1个待求真温T)。目前，多采用事先假设一组发射率模型(发射率-波长或发射率-温度模型)，假设模型与实际情况如果相符，则反演结果能够满足要求，如果假设模型与实际情况不符，则反演结果误差很大。但是，发射率模型受温度、表面状态、波长等诸多因素影响，难以事先确定发射率模型。因此受未知光谱发射率的制约一直是多光谱辐射测温理论面临的主要障碍，能否在无需任何光谱发射率假设模型的情况下，实现真温和光谱发射率的直接反演一直是多光谱辐射测温理论研究的热点和难点。通过对参考温度模型的分析表明，多光谱辐射测温反演过程的实质是寻找一组光谱发射率，使得每个通道方程解得的真温都相同，如不相同则继续寻找合适的光谱发射率，直到每个通道解得的真温都相等。为此，提出将多光谱辐射测温参考温度模型的求解过程转换为约束优化问题，即在光谱发射率0≤ελi≤1的约束条件下，通过梯度投影算法不断寻找光谱发射率，带入多光谱辐射测温参考温度模型方程组后，计算温度反演值的方差，直到每个光谱通道方程获得的温度值应该近似相等，此时各个光谱通道的温度反演值方差最小，这样就把多光谱辐射真温和发射率的反演问题转换为约束优化问题。约束优化算法是解决这一类问题的主要方法，但为了满足Ax≥b的约束条件，将0≤ελi≤1分解为ελi≥0和-ελi≥-1的两个约束条件，从而满足了约束优化问题Ax≥b的约束条件。这样就可以通过约束优化算法在无需任何光谱发射率假设模型的条件下，直接求解真温和光谱发射率。实验采用六种不同光谱发射率分布模式(随波长递增、递减、凸波动、凹波动、“M”型波动、“W”型波动)的材料为研究对象，以验证新算法对不同材料光谱发射率分布反演的适应性，利用Matlab的minRosen函数，选择光谱发射率的初始值均为0.5(取中间值，提高计算效率)。针对六种不同光谱发射率模型的仿真结果表明，新算法无需任何有关发射率的先验知识，对不同发射率模型反演结果均表现较好，在真温1 800 K的情况下，绝对误差均小于20 K，相对误差均小于1.2%，新算法具有无需考虑任何光谱发射率先验知识、反演精度较高及适合于各种发射率模型等优点，进一步完善了多光谱辐射测温理论，在高温测量领域具有良好的应用前景。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3846-3850 [摘要] ( 2 ) PDF (2050 KB) ( 5 ) |
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| 3851 | 水溶性酞菁类光敏剂的合成及其光谱性质研究 |
| | 鲁勖琳1，江苗苗1，孙丽娜1，徐明生1，张金源1，刘 记1，张先付2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3851-06 |
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| 以3-硝基邻苯二甲腈与3-巯基-1-丙磺酸钠为原料，在醋酸盐存在下通过四环化合成了三种带四个3-磺基丙基磺酰基的水溶性酞菁。利用紫外-可见吸收光谱，荧光光谱等对其光谱性质进行了测量，并计算了其荧光量子产率和单线态氧量子产率。引入吸电子基团所合成的水溶性酞菁与ZnPc相比，其荧光发射光谱的形状并未改变，但其最大荧光发射波长均发生10 nm以上的红移。三种水溶性酞菁中锌酞菁的荧光量子产率最高，铜酞菁的荧光量子产率最低；它们在水溶液中的荧光呈双指数衰减，这可归结为激发态质子化或去质子化的结果。单线态氧量子产率锌酞菁最大，空心酞菁次之，铜酞菁最小。光谱分析结果表明，合成的锌酞菁和空心酞菁具有高的单线态氧量子产率和高的光稳定性，有望用作光动力治疗和光免疫治疗的光敏剂。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3851-3856 [摘要] ( 3 ) PDF (4096 KB) ( 1 ) |
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| 3857 | Landsat 8 OLI影像的高原山地阴影区冰川识别方法 |
| | 季 漩1, 2，陈云芳3，罗 贤1, 2，李运刚1, 2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3857-07 |
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| 冰川对气候变化极为敏感，其变化对区域气候、生态及水资源等有重要影响。对于高原山地区域而言，使用遥感数据开展冰川变化研究时，影像经常会有较大面积的山体阴影。阴影使地物目标反映的信息量有所损失或受到干扰，在遥感影像数据上难以判读。因此，基于遥感影像的山体阴影区冰川识别成为一个技术难点。选择青藏高原上的大型山地冰川群为实验区，基于Landsat 8 OLI影像数据，分析了山体阴影区冰川与非冰川的波段反射特征，结果表明由于阴影区直射光被遮挡，波长较短的蓝光波段因具有更高的散射强度，是阴影区冰川识别的优势波段；长波波段在阴影区无论是冰川还是非冰川区域反射率都很低，难以区分。在此基础上提出针对山体阴影区冰川信息提取的增强指数算法，并与常规的冰川信息提取方法进行效果对比，结果表明增强指数方法得到的直方图分割阈值更为明显。从冰川信息提取结果来看，无论是空间分布还是面积误差比例，采用优势波段的增强指数法效果最好。在高原山地区域进行大规模冰川提取时，采用所提出的山体阴影区冰川信息增强指数算法，有助于提高整体工作效率。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3857-3863 [摘要] ( 3 ) PDF (4265 KB) ( 17 ) |
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| 3864 | 基于非负矩阵分解的印刷品原稿原色油墨光谱预测方法 |
| | 李玉梅1，2，刘传杰1，陈浩杰1，陈 桥2*，何颂华2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3864-07 |
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| 实现半色调印刷品原稿的光谱复制技术其前提要确定原稿所用油墨数目及油墨成份，但目前应用于印刷品原稿原色油墨光谱预测的算法还有待研究，且已有的基色色料光谱预测方法存在诸多弊端。针对这一问题在非负矩阵分解算法基础上结合印刷品原稿光学特性，创新的提出了一种基于约束条件非负矩阵分解的油墨光谱预测算法ISPNMF，和对黑色油墨光谱预测结果优化的算法。ISPNMF算法克服了基本非负矩阵分解有多重最优解和局部极小值的缺陷，实现了预测算法唯一的全局最优解。黑色油墨预测光谱优化的算法克服了彩色油墨对光线混合吸收给黑色油墨预测带来的干扰，能优化得到逼近于实际黑色油墨光谱的预测值。使用Konica Minolta C1085和HP indigo5600两台四色数码印刷机及其自身配备的墨粉和墨膏来摸拟不同品牌的油墨，在230 g白卡纸上打印 IT8.7/3色标，并使用X-rite i1 Pro2获取两样张的光谱反射率作为实验数据样本，来探究并验证算法的准确性和实用性。实验结果表明，在印刷品原稿线性经验空间中能准确预测原稿所用原色油墨数目和油墨光谱，且彩色油墨预测光谱与实际使用的油墨光谱相比其拟合度均高达99.9%，光谱角距离均小于0.045，黑色油墨的预测光谱经优化后与实际油墨光谱拟合度也高达99.9%。这说明该算法不仅能实现对印刷品原稿原色油墨的准确预测，而且可以精确匹配实际使用的原色油墨，对实现印刷品原稿的光谱复制技术有重要意义。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3864-3870 [摘要] ( 3 ) PDF (2173 KB) ( 1 ) |
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| 3871 | 扬子克拉通西部砂矿型金刚石多晶的同步辐射研究及意义 |
| | 杨志军1，2，黄逸聪1，周文秀1*，黄珊珊1，陈耀明1，雷雪英1，张倩芝3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3871-04 |
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| 基于金刚石多晶形成过程的复杂性、制样的困难性等在较大程度上制约了人们对其成核、生长等结晶过程及意义等的深入理解，采用同步辐射技术对扬子克拉通的金刚石多晶进行同步辐射显微红外光谱、显微红外光谱成像等方面的研究。金刚石多晶的同步辐射研究表明，金刚石多晶研究样品总体属于Ⅰ型金刚石，其总氮含量(NT)约为500~1 300 μg·g-1，对氮心的含量(NA)约为300~700 μg·g-1，四氮心的含量(NB)约为150~550 μg·g-1。金刚石多晶在地幔中的停留时间约介于0.06~0.12 Ga；样品的生长经历了多个生长中心先分别生长，后连聚成多晶再生长的过程，且整个多晶体的结晶中心区形成后，晶体优先往有利于稳固结晶中心的方向生长、再各向生长之过程。同时，金刚石多晶的生长在各时期内呈各向差异生长而非均匀生长，且存在间歇性停止生长的现象。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3871-3874 [摘要] ( 6 ) PDF (2148 KB) ( 4 ) |
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| 3875 | 长期定位施肥对黑土养分平衡和胡敏素分子结构动态变化的影响 |
| | 李梓瑄1，迟凤琴1, 2, 3*，张久明2, 3*，匡恩俊2, 3，宿庆瑞2, 3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3875-08 |
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| 以黑土长期定位试验(始于1979年)为基础，根据土壤养分的输入和输出分析长期不同施肥处理的土壤养分收支状况。利用红外光谱和核磁共振光谱分析胡敏素(Humin，Hu)分子结构的动态变化特征并分析土壤养分收支状况与Hu结构变化之间的关系。结果表明：不同施肥措施在改变黑土养分含量的同时，影响了土壤中惰性组分Hu的分子结构。1980年—2014年有机无机肥配施(MNPK)处理可以满足作物对养分的吸收，土壤总养分含量有盈余，且较不施肥(CK)处理增加土壤有机碳含量，降低土壤C/N比，同时土壤Hu的2 920/1 620和2 920/2 850、脂族C/芳香C、烷基C/烷氧C和疏水C/亲水C比值均增加，表明黑土Hu分子结构变得脂族化、简单化，施肥可以增加土壤活性有机碳，减少惰性有机碳组分含量。有机肥(M)和氮磷钾化肥(NPK)处理不能满足作物对养分的吸收，土壤养分出现亏缺状况。红外光谱显示，施肥年限增加，有机肥(M)和氮磷钾化肥(NPK)处理土壤Hu的2 920/1 620下降，表明其脂族C含量降低；核磁共振光谱显示，氮磷钾化肥(NPK)和不施肥(CK)处理烷基C/烷氧C降低，表明其活性有机碳含量下降。虽然各施肥处理较不施肥(CK)处理整体增加土壤Hu的脂族C含量，降低芳香C含量，但随着施肥年限的增加，氮磷钾化肥(NPK)处理使土壤Hu结构有变复杂化的趋势。各养分盈亏量与土壤Hu的结构特征参数之间具有相关性，N，P2O5和K2O养分盈亏量和总养分盈亏量与2 920/1 620、脂族C呈正相关，与芳香C呈负相关，表明养分状况可以影响土壤Hu的结构。节约经济成本情况下，轮作周期内施入一次有机肥，每年结合氮磷钾化肥的施入可以满足作物对养分的吸收，在提高作物产量的同时，改善土壤腐殖质惰性组分结构，培肥地力。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3875-3882 [摘要] ( 3 ) PDF (2359 KB) ( 2 ) |
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| 3883 | 混合式随机森林的土壤钾含量高光谱反演 |
| | 王轩慧1, 2，郑西来1*，韩仲志2，王轩力3，王 娟4 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3883-07 |
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| 从土壤速效钾光谱中挖掘关键特征较为困难，导致高光谱反演模型预测精度较低。针对此问题，提出了一种混合式随机森林特征选择算法。首先采用封装式特征选择方法进行特征预选，快速去除冗余并保留相关特征，然后再利用改进的随机森林特征选择算法对预处理后的特征进行精选，通过增大关键特征与冗余特征的区分度以及采用迭代特征选择的方式，使精选后的特征具有更好的鲁棒性与区分性，较好的解决了土壤速效钾高光谱反演模型精度较低的问题。为了验证所提出算法的有效性，选取了青岛市大沽河流域具有代表性的124个土壤样品为实验对象，利用提出的算法从2 051个原始波段选出含有13个敏感波段的最优光谱子集建立土壤速效钾反演模型，并与现有特征选择算法所建模型进行对比分析。结果表明：该算法构建的回归模型具有较低的预测均方根误差RMSEP(9.661 5), 较高的相关系数ｒ(0.936 9)和预测分析相对误差RPD(2.14)。混合式随机森林特征选择算法以较少的特征波长数实现了较好的预测效果，可为土壤养分实时光谱传感器的设计提供一定的理论依据。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3883-3889 [摘要] ( 6 ) PDF (2967 KB) ( 12 ) |
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| 3890 | 高光谱信息的农林植被种类区分 |
| | 虞佳维1, 2，程志庆1, 2*，张劲松2，王鹤松3，蒋跃林1，杨书运1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3890-07 |
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| 为了能够更加快速、准确对粮食主产区的作物与树木进行种类区分，以黄淮海地区三种主要植被(玉米、小麦和杨树)为研究对象，获取该三种植被原始反射率光谱，并对原始光谱进行特征点提取、一阶微分变换、二阶微分变换以及植被指数计算四种方法的分析处理，提取三种植被各自的光谱特征点、特征波段、蓝黄红边微分值和、位置、振幅以及面积四个特征指标以及植被指数的数值区间。基于特征值在不同植被种类间数值重叠范围越小区分精度越高的原理，比较分析植被光谱在不同处理方法下的植被区分精度，并且最终选取重叠范围最小的特征指标作为区分不同植被的识别指标。结果显示：相较于原始光谱特征点提取、二阶微分变换以及植被指数计算，一阶微分变换对于玉米、小麦和杨树的识别分类具有较高的精度，其中黄边振幅、黄边面积以及黄边微分值和具有较高的识别精度，黄边振幅的识别精度达到97.5%，黄边面积以及黄边微分值识别精度达98.1%，用另外167组数据对该结果进行验证，显示黄边振幅的识别精度达96.4%，黄边面积以及黄边微分值和的识别精度达97.6%。该结果与用平均光谱曲线区分单种植被不同生长状态选取的特征值结果不同，这种方法能有效的保留个体光谱反射曲线的差异，从结果可见通过一阶微分变换提取黄边参数的方法能有效的用于树木和粮食作物共同种植区域的植被区分, 并且黄边面积以及黄边微分值和的识别精度最高。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3890-3896 [摘要] ( 3 ) PDF (1749 KB) ( 11 ) |
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| 3897 | 多源异构光谱信息融合的食用牛肝菌鉴别方法 |
| | 李秀萍1, 2，李杰庆1，李 涛3，刘鸿高1*，王元忠2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3897-08 |
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| 牛肝菌营养丰富，味道鲜美，备受各国消费者青睐。因种间差异和环境因素的多层次影响，不同种类及产地牛肝菌品质参差不齐。目前，利益驱动导致商家在牛肝菌销售过程中以次充好、以假乱真的行为扰乱了食用菌市场，不仅给消费者带来健康风险，也制约了牛肝菌的国际化贸易。采用多源异构信息融合策略对牛肝菌种类与产地进行鉴别，以期为追溯食用菌来源以及正确评价其品质提供一种快速有效的解决方法。试验样品灰褐牛肝菌(Boletus griseus)、栗色牛肝菌(B. umbriniporus)、美味牛肝菌(B. edulis)、皱盖疣柄牛肝菌(Leccinum rugosicepes)和绒柄牛肝菌(B. tomentipes)五种牛肝菌科(Boletaceae)真菌子实体采于云南省保山市、昆明市、玉溪市与红河州。采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和紫外可见分光光度计(UV-Vis)采集样品信息。Kennard-Stone算法将样品原始数据分为校正集和验证集。校正集基于FTIR、UV-Vis、低级、中级与高级数据融合建立偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型，其中决定系数(R2cal)、预测能力Q2、校正均方根误差(RMSEE)和交叉验证均方差(RMSECV)用来评价模型鲁棒性。研究结果显示：(1)不同种类及产地牛肝菌FTIR和UV-Vis吸收峰的峰位置、峰形和峰数相似，而吸收强度存有差异，表明牛肝菌所含化学成分相似，但含量有一定差别；(2)PLS-DA模型二维散点图可以看出，中级融合比低级融合能更好的鉴别样品种类及产地；(3)各模型中，中级融合模型具有更大的Q2和最小RMSECV，模型鲁棒性最强；(4)验证集样本用来验证模型泛化能力，FTIR、UV-Vis、低级融合、中级融合及高级融合模型样品种类鉴别正确率分别为92.86%，35.71%，97.62%，100%和95.23%；产地鉴别正确率分别为71.43%，61.90%，61.90%，97.62%和76.19%。表明多源异构信息融合在一定程度上优于独立模型，其中，中级数据融合种类鉴别正确率100%，产地鉴别正确率97.62%，模型具有更优的鉴别效果和泛化能力。FTIR和UV-Vis结合中级数据融合策略能实现牛肝菌种类快速精确鉴别，产地快速有效鉴别，可作为食用菌来源追溯以及品质评价的一种新方法。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3897-3904 [摘要] ( 8 ) PDF (3781 KB) ( 2 ) |
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| 3905 | 基于灰色关联法的春小麦叶片含水量高光谱估测模型研究 |
| | 吾木提·艾山江1, 2，买买提·沙吾提1, 2, 3*，尼加提·卡斯木1, 2，尼格拉·塔西甫拉提1, 3，王敬哲1, 2，依尔夏提·阿不来提1, 2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3905-07 |
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| 利用高光谱植被指数反演植被水分含量时，快速、准确的找到实测光谱数据与植被水分相关性最高的植被指数是研究的重点。在农田尺度上，以春小麦野外光谱数据与叶片含水量的定量关系为基础，通过灰色关联度分析，筛选出与叶片含水量灰色关联度较高的5种典型的水分植被指数，并建立了估算春小麦叶片含水量(LWC)的偏最小二乘回归(PLSR)模型和BP神经网络(back propagation artificial neural networks, BP ANN)模型。结果表明：(1)光谱一阶导数可以有效去除噪声影响并突出光谱特征信息，尤其是在750～830，1 000～1 060和2 056～2 155 nm等区间明显提高了与LWC的相关性。(2)灰色关联法能够较好的表征各水分植被指数与叶片含水量间的关联性，其中基于原始光谱建立的前5个水分植被指数都是两波段比值植被指数，基于光谱一阶导数建立的水分植被指数基本上都是两波段归一化差值植被指数。(3)所建立的两种模型中，基于光谱一阶导数建立的PLSR和BP神经网络模型R2分别为0.80和0.81，稳定性基本相同且都较好；两种模型RMSE都是0.55，RPD分别为2.01和1.41，说明PLSR模型的预测精度比BP神经网络模型高。从模型的验证效果来看，PLSR模型在估算春小麦叶片含水量方面有一定的优势，为高光谱定量反演春小麦叶片含水量提供一定的参考。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3905-3911 [摘要] ( 8 ) PDF (2642 KB) ( 4 ) |
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| 3912 | 小麦黑胚病识别模型优选和多分类识别分析 |
| | 吴婷婷1, 2, 3，余克强1, 2, 3，张海辉1, 2, 3*，冯 毅4*，张 晓1，汪辉辉1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3912-05 |
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| 为探讨利用可见/近红外光谱进行小麦黑胚病快速无损检测的可行性，以及基于主流机器学习算法，寻找面向生产的小麦黑胚病优化识别模型，利用自行研发的近红外光谱采集平台采集了579～1 099 nm波段23个品种共2760个小麦单籽粒的吸光度光谱数据，采用标准正态变量变换(SNV)进行预处理之后分别经过SPA(successive projections algorithm), PCA(principal component analysis)等两种数据降维方法，结合ELM(extreme learning machine), SVM(support vector machine), RF(random forest)和AdaBoost等四种分类方法，分别构建SPA-SVM, SPA-ELM, SPA-RF, SPA-AdaBoost, PCA-SVM, PCA-ELM, PCA-RF, PCA-AdaBoost八种小麦黑胚病识别模型; 结果表明小麦黑胚籽粒的识别准确率达到93.3%～98.6%，识别效果优于前人文献中利用近红外波段的识别效果；其中SPA-SVM模型具有最高的识别率，PCA-AdaBoost模型具有更好的普适性。将SPA-SVM模型和PCA-AdaBoost模型作为优选模型，从生产实际出发，分别对未感病+轻感病、中感病+重感病籽粒进行了二分类识别，对未感病，轻感病+中感病、重感病籽粒进行了三分类识别，以及对未感病、轻感病、中感病、重感病籽粒进行了四分类识别，并深入分析了识别效果和产生原因。总体来说，小麦黑胚粒的识别准确率随分类程度的细化而下降，二分类的识别模型可直接用于生产，尽管三分类和四分类的感病粒识别效果较差，但是对未感病粒的检出率则不受分类程度的影响，识别率在87.2%以上，符合生产需求。综合来看，SPA-SVM模型分类效果优于PCA-AdaBoost模型，可作为首选识别模型，该研究为小麦籽粒黑胚病的在线批量快速检测提供了技术依据。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3912-3916 [摘要] ( 11 ) PDF (2910 KB) ( 1 ) |
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| 3917 | 离子交换树脂-固相萃取富集-电感耦合等离子体光谱法测定水中重金属元素 |
| | 刘冰冰，刘 佳，张辰凌，韩 梅，贾 娜，刘圣华* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3917-06 |
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| 建立了离子交换树脂-固相萃取富集-电感耦合等离子体光谱(ICP-AES)联用测定水中的重金属元素Zn，Mn，Cu，Co，Ni，Cd，Pb的方法。实验采用Dowex50WX8强酸型阳离子交换树脂，通过优化富集分离条件和排除共存离子的干扰，最终确定最佳的样品pH，样品流速，洗脱液种类和浓度，样品体积分别为3.0~4.0，3.0 mL·min-1，3.0 mol·L-1 HNO3，200 mL。方法中各元素的检出限和定量限范围分别为0.09~0.45和0.31~1.50 μg·L-1，加标回收率和相对标准偏差RSD(n=6)分别为95.3%～104.2%和1.25%～4.12%。采用该方法测定不同地区的样品，并与直接采用ICP-MS法进行对比，其测定结果基本吻合。实验表明该方法的检出限，定量限可以满足水中重金属元素Zn，Mn，Cu，Co，Ni，Cd，Pb的检测要求，准确性和精密度好，结果可靠，适用于测定水中Zn，Mn，Cu，Co，Ni，Cd，Pb。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3917-3922 [摘要] ( 3 ) PDF (1877 KB) ( 3 ) |
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| 3923 | 野生藜蒿中的微量元素的质谱分析 |
| | 刘宏伟，聂西度* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3923-06 |
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| 研究应用电感耦合等离子体串联质谱(ICP-MS/MS)技术建立准确测定野生藜蒿中12个微量元素的分析方法。采用MS/MS模式，以O2为反应气，元素As和Se与O2发生质量转移反应生成AsO和SeO，通过测定AsO和SeO消除质谱干扰；以NH3/He为反应气，元素Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn与NH3/He发生质量转移反应形成团簇离子，通过测定团簇离子消除质谱干扰。元素Cd，Hg和Pb采用标准模式进行测定。12个待测元素的校准曲线在0～200 μg·L-1范围内具有良好的线性关系，各元素的检出限为0.64～49.61 ng·L-1。通过测定国家标准物质芹菜(GBW10048)，采用t检验法进行差异性检验表明，测定值与标准值之间无显著性差异，验证了方法的准确可靠性。各元素的加标回收率在92.0%～106.1%之间，相对标准偏差(RSD)为1.6%～4.9%。分析了来自国内不同地区的4个野生藜蒿样品，结果显示，不同来源样品中12个元素的含量各有差异，Mn，Fe，Zn的含量远高于其余九种元素，毒理性元素As，Cd，Hg和Pb的含量处于极低水平。方法能准确测定野生藜蒿中的多种微量元素，为野生藜蒿的食用营养和安全提供科学的理论依据。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3923-3928 [摘要] ( 4 ) PDF (1372 KB) ( 4 ) |
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| 3929 | 基于X射线光子计数探测技术的材料K-edge特性识别实验研究 |
| | 何 鹏1,2，吴晓川1，安 康2，邓 刚3，王 星3，周仲兴4，魏 彪1,2，冯 鹏1,2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3929-05 |
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| X射线光子计数探测器是多能谱CT成像技术的核心，其通过能量阈值可以选择记录不同能量的X射线光子，有助于分析不同材质的物理特性。利用搭建的基于光子计数探测器的多能谱CT系统，开展高纯度金属材料K-edge特性识别实验研究。通过设置探测器的不同能量阈值，在不同能量范围获取金属材料投影图像，利用投影图像灰度信息分析不同能量X射线的衰减特性，以识别金属材料K-edge特性。最终实验结果表明，基于光子计数探测器的X射线能谱CT系统，能够识别金属材料与特定能量X射线光子发生相互作用所表现出的K-edge特性。通过计算K-edge特征峰能量阈值与材料K-edge理论能量值之间的线性对应关系，对光子计数探测器的能量阈值进行了标定。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3929-3933 [摘要] ( 4 ) PDF (3647 KB) ( 6 ) |
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| 3934 | 一种面向土壤重金属含量检测的X射线荧光光谱预处理方法研究 |
| | 任 东1,2，沈 俊1,2，任 顺1,2*，王纪华1,2,3，陆安祥3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3934-07 |
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| 土壤重金属的污染影响着农作物的产量和质量。传统的土壤重金属检测方法步骤繁琐、检测费用高且速度慢。利用X射线荧光光谱(XRF)分析技术检测土壤中重金属含量，具有处理简单、现场、快速、无损等优点。由于土壤背景复杂，包含大量噪声和无关信息，建立XRF校正模型前，对光谱的预处理能有效的去除不相干信息，保留有用信息，对XRF预测模型的精度有重要影响。主要研究光谱预处理方法对重金属含量预测模型精度的影响。首先，采用向前间隔偏最小二乘(FiPLS)作为校正模型，对比了无预处理、去趋势处理(DT)、标准正态变量变换(SNV)、多元散射校正(MSC)、小波去噪(WT)、SNV+DT、卷积平滑(SG)+一阶导数、卷积平滑(SG)+二阶导数等7种不同预处理条件下的土壤重金属模型的检测精度。初步结果表明，多元散射校正预处理方法效果较好，与原始光谱相比，相关系数r从原始的0.988提高到0.990，预测均方根误差RMSEP、相对误差平均从原来的20.809和0.166分别降低到19.051和0.121。其次，在多元散射校正预处理方法的基础上，针对多元散射校正方法以线性表达式描述非线性关系的局限性，提出了局部加权线性回归多元散射校正(LWLRMSC)和偏最小二乘多元散射校正(PLSMSC)，并比较了它们的建模效果。LWLRMSC是基于加权思想，在预测一个点的值时，选择适当的核函数和权重分配策略进行预测点的线性回归，来解决简单线性回归的欠拟合状况；PLSMSC是基于PLS建模思想，考虑了自变量和因变量的最大相关性，来减少拟合误差及失真问题。结果表明，PLSMSC具有最佳的预处理效果，五种重金属Cu，Zn，As，Pb，Cr预测值和实际值的R分别为0.989，0.973，0.991，0.989和0.986，RMSEP分别为8.805，58.360，7.671，12.549和20.851，相比于传统的MSC方法不仅在精度方面有大幅度的提升，且具有更好的泛化性能，能消除光谱噪声，提升有效信息贡献度，为土壤重金属含量预测模型选取合适的预处理方法提供了理论支撑。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3934-3940 [摘要] ( 5 ) PDF (4432 KB) ( 12 ) |
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| 3941 | 放电辅助激光溅射气相金属化合物分子和离子的产生装置 |
| | 张吉才1,2，赵冬梅1，马新文1，杨 杰1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3941-05 |
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| 结合脉冲放电气体束和激光溅射技术，开发了一套产生气相金属化合物分子和离子的装置。利用飞行时间质谱测试了金属铜靶与不同气体反应的离子产物和效率，并利用激光诱导荧光光谱方法测量了自由基分子产物的状态。测试结果表明，该装置可有效产生气相金属化合物自由基分子和离子，而且产物转动温度低，为下一步开展高精度金属化合物分子自由基电子态激光光谱研究打下了基础。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3941-3945 [摘要] ( 6 ) PDF (2506 KB) ( 4 ) |
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| 3946 | 基于基线漂移模型的气体光谱自动基线校正 |
| | 王 昕1,2，吕世龙2，李 岩2，尉昊赟2，陈 夏3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3946-06 |
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| 傅里叶红外光谱是监测污染源废气排放的一种重要手段。发展针对气体光谱的自动基线校正方法对于污染气体快速检测及长时间在线监测具有重要意义。目前自动基线校正中的一个难点是如何准确校正存在宽峰的光谱：宽峰在频域中具有一定低频成分，基于频域滤波提取光谱中低频基线信息的方法因难以选择合适的分离条件容易产生基线扭曲。采取自动识别基线点，基于预先设定的基线模型拟合光谱基线的方法可以规避频域方法中分离条件选取的环节，但其校正效果对所采用的基线模型非常敏感。当基线模型中的自由度过小时，拟合基线无法准确逼近光谱基线漂移，基线校正的误差较大；而当基线模型中的自由度过大时，尤其是含有实际基线漂移中不存在的虚假自由度时，容易产生基线扭曲。目前常用的基线模型有线性、多项式、样条插值、指数模型等，在基线模型的选择上缺乏较为统一的标准。本研究着眼于避免基线模型缺乏必要自由度或含有虚假自由度，提出基于实际基线漂移的自由度建立基线模型。研究发现，气体光谱中主要的基线漂移在光谱中可被近似表示为波数的特定阶次(0次、1次、2次和4次项)的形式。以此作为基线模型提出了一种自动基线校正新方法。新方法以传统迭代多项式拟合自动基线校正方法作为基础，将其中仅设定多项式最高阶次的基线模型改进为上述由具有物理意义支撑的特定阶次构成的基线模型；此外，增加了对吸收峰尾部的判定，用于避免在采用阈值分辨吸收峰与基线时，吸收峰尾部因吸光度较低被误识别为基线的问题。以实测获得的含有水汽宽峰的空气光谱作为样本，对所提方法的基线校正效果进行了验证，并与迭代多项式拟合方法中两种较有代表性的Lieber和Mahadeven-Jansen(LMJ)方法以及Liu和Koenig(LK)方法的基线校正效果进行了对比。实验结果表明，所提方法与采用不同最高多项式阶次的LMJ及LK方法相比，可更好的避免基线扭曲，同时其校正后的光谱基线与吸光度0线间具有最低的方差平均值。研究表明，采用实际基线漂移的自由度建立光谱基线模型可获得良好的基线校正效果。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3946-3951 [摘要] ( 2 ) PDF (2030 KB) ( 9 ) |
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| 3952 | 激光雨滴谱仪光学设计与分析 |
| | 汪 玉，谈 图，王贵师，高晓明* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3952-06 |
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| 用来描述降水粒子数浓度随粒子尺度变化函数的雨滴谱，是降水最基本的微物理特征量，利用雨滴谱信息可以更清楚地认识自然降水的发展演变过程。从雨滴在矩形光束中的相对位置出发，理论分析了不同尺寸条件下矩形光束透射强度随粒径的变化，结果显示矩形光束的透过率与雨滴尺寸具有很好的线性关系；数值模拟了不同粒径、不同降落速度下雨滴在矩形光束中的渡越时间。并指出利用测量的雨滴粒子大小和下落时间就可获得降水类型(毛毛雨、普雨、降雪、降霰、冰雹以及混合型降水)、降水强度、降水量和粒子波谱(在体积波谱上的粒子分布)等信息。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3952-3957 [摘要] ( 6 ) PDF (3203 KB) ( 4 ) |
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| 3958 | 紫外-可见光谱法研究Fc(COOH)2和BSA相互作用 |
| | 韩国成，苏晓瑞，侯嘉婷，冯小珍，陈真诚* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3958-05 |
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| 采用紫外-可见光谱法(UV-Vis)研究Fc(COOH)2 (λmax=255 nm)与BSA(λmax=277.5) 的相互作用。实验结果表明：Fc(COOH)2在10~190 μmol·L-1范围内吸光度与浓度呈良好的线性关系(r=0.998 4)，BSA在100~1 900 mg·L-1范围内，吸光度与浓度呈良好的线性关系(r=0.999 2)，BSA与Fc(COOH)2反应后，最大吸收波长移至275 nm。当固定Fc(COOH)2或BSA的浓度时，Fc(COOH)2或BSA的吸光度随着BSA或Fc(COOH)2浓度的增加而增大，说明Fc(COOH)2与BSA存在分子间的相互作用，主要是由于Fc(COOH)2和 BSA能形成氢键，分子链增长，吸收的能量增加，导致吸光度增大。同时考察Fc(COOH)2和 BSA的吸光度随时间的变化，70 μmol·L-1的Fc(COOH)2与1 900 mg·L-1的BSA反应0.1，24和96 h后，在λmax=275 nm处的吸光度由1.062分别变为1.045和0.986；当700 mg·L-1的BSA与190 μmol·L-1的Fc(COOH)2反应0.1，24和96 h后，在λmax=275 nm处的吸光度由0.813分别变为0.794和0.750。 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3958-3962 [摘要] ( 12 ) PDF (3338 KB) ( 8 ) |
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| 3963 | 《光谱学与光谱分析》2018年(第38卷)总目次(第1～12期) |
| | 《光谱学与光谱分析》编辑部 |
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| 2018 Vol. 38 (12): 3963-3984 [摘要] ( 2 ) PDF (1054 KB) ( 16 ) |
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